肠道微生物失衡在肝性脑病中的研究进展

鲁冰洁 赵亚红 安泳潼 叶冠 孙明瑜

肝性脑病(hepatic encephalopathy, HE)是临床上常见的一种以代谢紊乱为基础的神经精神异常综合征，其临床表现可从亚临床改变，如轻微肝性脑病(minimal hepatic encephalopathy, MHE)，进展到明显昏迷。研究证实，肠道微生物(gut microbiota, GM)及有害副产物如氨、吲哚、羟吲哚和内毒素参与HE的发生发展，尤其肠-肝-脑轴功能失调在HE的疾病进展中处于核心环节。本文就GM在HE发病中的作用，以GM为靶标的治疗策略和现存问题进行综述，以期为HE的临床诊治提供新思路。

一、GM与肠-肝-脑轴

GM是一个高度多样化的生态系统，参与机体代谢与免疫防御，其包含的基因数目约是人类基因组的150倍。其中，到达大脑的GM种类和数量很大程度上受其寄居的肠道环境、肠道上皮屏障和血脑屏障的通透性以及GM被肝脏清除情况的影响。

(一)GM与肠-脑轴 机体内存在一条能将肠道与大脑功能整合的双向信息交流系统，即为肠-脑轴。一系列无菌动物实验表明，GM对动物肠-脑轴功能，下丘脑/垂体/肾上腺(hypothalamic-pituitary-adrenal, HPA)轴功能、情绪行为、压力和情绪调节以及代谢等方面均有影响。一方面，GM可通过神经、内分泌和免疫等多种机制参与肠道与大脑之间的双向信号传导，另一方面，大脑也能够通过自主神经系统(autonomic nervous system, ANS)影响GM的组成和功能。

(二)GM与肠-肝轴 术语“肠-肝轴”的概念是由Marshal于1998年提出，意指源于同一胚层的肠道与肝脏在结构及功能上存在的密切联系。来自肠系膜静脉的门静脉供血约占肝脏总血流量的75%，门静脉在携带营养物质的同时，也转移微生物和细菌，为肝脏提供广谱抗原。肝脏独特的解剖位置和血管系统，使其容易暴露于GM的产物(如脂多糖LPS)中。虽然大量的微生物定植于肠道，肠屏障和肝脏解毒功能可以防止GM移位，但在肝硬化等病理状态下，此种防御机制容易被破坏，肠-肝轴功能失调，肠道通透性增加，LPS进入肝脏和全身血液循环诱导疾病。

二、GM与HE之间的关系

Kang等[1]发现与肝硬化无菌小鼠相比，肝硬化普通小鼠的血清氨水平更高，神经和系统炎症也更为明显。其中，共生菌与炎症、血氨水平负相关，而肠杆菌科(Enterobacteriaceae)与血清炎性细胞因子呈正相关，认为GM变化可以驱动小鼠发生HE。临床研究发现，与健康患者和肝硬化不伴HE患者相比，肝硬化伴有HE患者的葡萄球菌科(Staphylococcaceae)、肠球菌(Enterococcaceae)、紫单胞菌科(Porphyromonadaceae)和乳杆菌科(Lactobacillaceae)的丰度更高，且特异的微生物群(共生菌，肠杆菌)与磁共振波谱(MRS)的改变(谷氨酸和谷氨酰胺增加，肌醇与胆碱减少)以及高血氨相关的星形细胞变化均有相关性。另一方面，紫单胞菌科仅与神经元变化相关，而与氨水平无关，首次证实了GM改变与HE患者大脑特定神经元和星形细胞改变相关[2]。与单纯肝硬化患者比较，肝硬化伴有HE患者的乙状结肠黏膜微生物组成发生变化，其中，罗斯氏菌属(Roseburia)丰度降低，而潜在致病菌肠球菌属(Enterococcus)、巨球型菌属(Megasphaera)、韦荣球菌属(Veillonella)和伯克氏菌属(Burkholderia)丰度增加，并与HE患者认知能力下降和炎症反应相关。此外，HE患者常发生细菌易位(bacterial translocation, BT)，如口腔微生物唾液链球菌可在肠道下段过表达，并与HE疾病进程和严重程度相关。色氨酸经肠道和肝脏作用，代谢为吲哚及羟吲哚，Riggio等[3]发现HE患者血清吲哚与羟吲哚水平升高，Montagnese等[4]证实其与氨水平明显相关，共同揭示出肠-肝-脑轴在HE发病机制中的作用。

三、GM-肠-肝-脑轴失调导致HE

100多年来，增加的氨水平及其对大脑的毒性仍然是肝硬化患者发生HE的重要机制。研究观察到肝硬化患者常伴有肠蠕动减弱、胆汁分泌减少，在一定程度上影响肠道微环境，使得肠系膜缺血水肿、通透性增加，导致小肠细菌过度生长(small intestine bacterial overgrowth, SIBO)，促进BT，诱导炎性因子释放，加重肝损伤；同时脑中小胶质细胞活化，氨、乳酸盐和锰积累以及血脑屏障通透性改变，最终诱导HE。由此可见，GM介导的肠-肝-脑轴信号传导异常在HE的发病中起关键作用。

(一) 氨与炎症 肝硬化患者，一方面致病菌肠杆菌增多，产生大量尿素酶，水解尿素产氨增加；另一方面，肝脏清除氨的能力下降，过量的氨入体循环，可使血中氨浓度增加2～5倍，产生自由基诱导氧化应激损伤；同时脑中星形胶质细胞对氨的摄取增加，脑内氨水平随之增加。也有研究表明HE患者的动脉氨水平与其临床表现不完全相关，氨的神经毒性作用并非直接产生，而由代谢介导[5]。氨能释放活性氧诱导中性粒细胞功能障碍，与炎症因子具有协同作用[6]。动物实验发现编码TNF或IL-1β的基因缺失可延迟HE发作并减轻脑细胞水肿，肯定了炎症因子与HE发病相关[7]。这种炎症环境可干扰肝-脑信号传导，加剧脑水肿，最终导致高氨血症的神经元功能障碍。此外，小胶质细胞活化程度和大脑皮质的iNOS和COX-2的mRNA水平升高程度可预测脑水肿及HE的严重程度。近期发表于Nature的研究，在动物实验和临床试验中均发现GM能够调控小胶质细胞产生TGF-α/VEGF-β，通过芳香烃受体反馈性调节星形胶质细胞和CNS炎症的转录程序[8]，为论证GM-肠-肝-脑轴失调导致HE提供有力依据。

(二)SIBO与BT SIBO在既往合并自发性细菌性腹膜炎(spontaneous bacterial peritonitis, SBP)或HE的肝硬化患者中尤为常见，其发病率可达30%～70%[9]。事实上，SIBO主要由革兰阴性肠杆菌诱导，如大肠杆菌(Escherichia coli)和肺炎克雷伯杆菌(Klebsiella pneumoniae)，二者均能诱导HE[10]。生理性BT可见于正常人群，而病理性BT在肝硬化患者较为常见，尤其终末期肝硬化患者的BT发生率可高达40%，其中Child C级患者的病理性BT发生率是Child A和Child B级患者的5～6倍[11]。需氧革兰阴性细菌容易穿过肠道屏障发生移位；部分兼性细菌，如沙门菌(Salmonella)和李斯特菌(Listeria)能够抵抗吞噬杀伤而发生移位。研究表明[12]SIBO可增加内毒素和循环促炎细胞因子的水平，改变胆汁成分和肝胆转运蛋白，有助于BT发生。由Paneth细胞防御素缺陷介导的肠道屏障破坏易导致SIBO并促进BT[13]。故SIBO是BT发生的先决条件，二者与HE发病密切相关。

(三)胆汁酸(bile acids, BAs)的作用 BAs主要通过法尼烯X受体(farnesoid X receptor , FXR)[14]介导，细胞色素P450酶(cytochrome P450, CYP)——胆固醇7α-羟化酶(cholesterol 7α-hydroxylase, CYP7A1)催化。大脑内70%～80%的胆固醇存在于髓鞘和星形胶质细胞以及神经元细胞中。McMillin等[15]研究表明，BAs合成减少，可诱发脑功能障碍，并首次证实BAs介导的鞘氨醇-1-磷酸受体2信号(sphingosine-1-phosphate receptor 2, S1PR2)能够诱导HE小鼠发生神经炎症。此外，BAs通过FXR轴诱导产生抗菌肽物质，抑制细菌增殖。一些关于无菌和FXR缺陷小鼠的实验表明，BAs组成和生物转化很大程度上受GM调控[16]，GM改变通过FXR轴对BAs的合成产生直接或间接影响[17]。

四、以GM为靶标治疗HE

目前临床尚无治疗HE的统一方案。围绕“调节GM、减少氨、抑制肠道神经毒素”等目标，HE的治疗药物主要有益生元、益生菌、抗生素等。其他疗法，如口服支链氨基酸(branched-chain amino acids, BCAAs)、静脉注射L-鸟氨酸L-天冬氨酸(L-ornithine L-aspartate, LOLA)以及膳食疗法等在HE的个案治疗中也有报道。口服BCAAs能够促进骨骼肌中的氨解毒为谷氨酰胺。静脉注射LOLA的HE患者，其神经认知、血氨和临床症状方面均有改善。此外，对于一线治疗药物不耐受或疗效不显著的患者进行营养干预，以保持稳定的葡萄糖输出，对HE患者尤为重要。

(一)益生元 自1966年以来，乳果糖一直是临床治疗HE的“基石”，也是目前指南中推荐治疗HE的一线药物。乳果糖的作用机制主要与增加粪便体积、酸化和修饰结肠菌、促进肠蠕动并加快肠道细菌排出有关。尽管2004年版的Cochrane系统评价并未发现足够证据推荐其应用于HE治疗，但是近期发表于hepatology的Meta分析，通过对包含1 828例患者的38项随机对照试验分析，表明乳果糖和乳糖醇在HE的治疗和预防中均发挥有益作用，能够减少肝病相关不良事件发生[18]。然而，研究并未表明乳果糖能够引起GM组成和功能发生显著变化。EASL与AASLD制定的2014版HE防治指南推荐乳果糖用于预防HE初次发作后的复发；与利福昔明联用，以降低HE二次发作后的复发率[19]。

(二)益生菌 益生菌，主要有乳酸杆菌和双歧杆菌，可通过竞争营养素、改善肠道上皮细胞营养状态，提高肠道黏膜屏障功能；酸化肠道、分泌抗菌化合物，抑制氨与有害病原微生物的生长与吸收。有研究报道益生菌制剂VSL#3((含8种益生菌，3种双歧杆菌和5种乳杆菌))能够减少BT，有效预防HE，但有待更大样本的随机对照临床试验加以验证[20]。

(三)抗生素 抗生素可用于治疗乳糖不耐受的HE患者。利福昔明可抑制肠道产尿素酶类细菌生长和调节GM来降低内毒素水平，2010年经美国FDA批准，已在全球41个国家用于治疗HE。此外，利福昔明能够控制SIBO降低HE复发风险，延长总体生存率[21]。Meta分析表明利福昔明调节GM治疗HE的具体作用机制与其改善GM代谢功能有关，而在改变GM组成与丰度方面尚未得出一致结论[22]。该药用于治疗HE，需密切监测下使用，且不宜长期使用。

五、小结

综上所述，GM主要通过肠-肝-脑轴影响HE的发生发展。GM失调、SIBO、BT以及肠道屏障功能受损等诱导高血氨、系统神经炎症，最终引发HE。以GM为靶标的治疗方法，如服用益生元、益生菌、抗生素等在防治HE方面已取得一些进展。但鉴于GM自身结构和组成的复杂性，其与宿主相互作用的机制尚未充分阐明，且临床尚缺乏大样本前瞻性随机对照试验加以验证。因此，我们应当充分利用高速发展的基因测序技术更加深入地探索GM与HE等各种疾病之间的关系，这不仅有助于提供一种靶向治疗的方法，有助于新型益生菌及益生元制剂的研发，也将为精准医学的发展打下坚实的基础。